Источники звука и пропускающая их среда

Что такое источник звука? Какие источники звука существуют?

Звук присутствует во всех сферах нашей жизни. Кроме музыки, которую мы слушаем, и гудков автомобилей, проезжающих по улице, существует множество других источников звука, которые постоянно нас окружают. Так что же представляет из себя источник звука? Давайте разбираться.

Источник звука — это любой источник звуковой энергии. Излучать ее может любое вибрирующее тело, например, акустическая колонка или выхлопная труба автомобиля. Подвижные части зданий или автомобилей при взаимодействии с другими предметами также могут генерировать звук, распространяющийся в пространстве в виде звуковых волн. Наши знания о природе звука позволяют утверждать, что любое тело, которое колеблется в проводящей среде, излучает звук. Если этот процесс происходит в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, то этот звук может услышать человек. Естественно, что звуки существуют за пределами этих частот (инфразвук и ультразвук), но человеческое ухо не воспринимает его в силу особенностей анатомического строения.

Инфразвуковые волны не слышны для человека, так как их частота находится ниже 20 Гц. Они могут порождать природные явления, связанные с передвижением больших масс, таких, как землетрясение, извержение вулкана, лавина в горах и морские волны, а также источники звука, «рожденные» самим человеком, например, гудение промышленных установок или гул ветряных электростанций. К этому же явлению относится краткосрочное, но чрезвычайно громкое событие, например, старт ракеты. Некоторые домашние помощники, например, посудомоечная машина, холодильник или газовый котел, имеют в своей «палитре» звуков инфразвуковой компонент.

Ультразвук также выходит за пределы частот, воспринимающихся человеческим ухом, и находится выше 20 кГц. К естественным источникам относятся голоса животных, таких, как дельфины и летучие мыши, которые используют ультразвук для локализации опасности и определения места нахождения добычи. Люди на протяжении десятилетий используют ультразвук во многих областях жизнедеятельности, включая промышленность, медицину и научные исследования. В частности, в медицине ультразвук используется для создания изображений, помогающих сделать видимыми органы и ткани, находящиеся внутри человеческого тела. Кроме того, он применяется в физиотерапии для лечения заболеваний мышц и суставов. На промышленных предприятиях ультразвук может быть использован во время проведения сварочных работ, очищения загрязненных деталей оборудования, или для измерения расстояния от одного объекта до другого. Известно, что ультразвуковые волны имеют слишком короткую длину волны, чтобы распространяться на такие же большие расстояния, что и инфразвук. Поэтому основная сфера их применения относится к производствам, где особенно важно получение точных целенаправленных результатов.

Звуковые волны представляют собой механические колебания, которые распространяются в проводящей среде в форме волны, в виде колебаний давления и плотности. Это происходит в процессе наложения звуковой волны на атмосферное давление. Наш слух способен воспринимать эти изменения давления и таким образом предоставлять акустическую информацию.

Известно, что звук может влиять на нашу жизнь самыми разными способами. Например, звуки могут быть приятными (музыка и звуки природы), они помогают нам расслабиться и улучшить самочувствие. С другой стороны, источники звука могут производить шум, который негативно влияет на субъективное самочувствие. Интенсивное уличное движение в городе, гул на строительных объектах может приводить к слишком высокой шумовой нагрузке. Помимо этих повседневных источников шума, связанных с деятельностью человека, существуют и природные, например, гром во время грозы, грохот водопада или резкие крики животных, которые могут и успокаивать, и провоцировать беспокойство.

Шум и полезный звук — понятия, которые используются в акустике, чтобы различать нежелательные и неприятные (шумовой сигнал) или желаемые (полезный сигнал) источники звука. Полезный звук понимается как маркер определенной цели (речь, музыка, сигналы тревоги), он имеет важное значение во многих областях жизнедеятельности чевлоека, от коммуникации до обеспечения безопасности. Шум — нежелательный звук, который может ухудшить качество источника полезного сигнала, и негативно повлиять на самочувствие людей. Нередко он является производной от основного, полезного звукового сигнала, например, при движении автомобиля и стука пневматического молотка. Поэтому во многих ситуациях просто невозможно полностью избежать мешающего шума. Деление зависит от ситуации, например, музыка может быть желательна, если нужно расслабиться, но если она мешает беседе или засыпанию, то воспринимается уже как шум.

Распространение звука в разных средах

Распространение звука — интереснейшее явление, которое демонстрирует разные свойства в разных проводящих средах. Звуковым волнам всегда требуется какое-то вещество-посредник для распространения. Они могут двигаться во множестве проводящих сред: воздухе, воде, сквозь твердые материалы, такие, как металл или дерево. Распространение звука в вакууме невозможно, поэтому, например, в космосе царит полная тишина.

Распространение звука в воздухе

Воздух представляет собой проводящую среду, которая чаще всего используется для передачи звука. Воздух, который нас окружает, преимущественно состоит из азота, кислорода, аргона, диоксида углерода, водяного пара и незначительного количества других газов. Звуковые волны возникают при изменении давления, они воспринимаются воздухом и равномерно (в виде сферы) передаются во все стороны, если они не отражаются, не приглушаются или не поглощаются. Скорость, с которой звук движется в воздухе, зависит от его температуры и влажности.

Специалисты-акустики обычно работают со средней скоростью, которая при температуре 20°С и влажности воздуха 50% составляет примерно 343 м/с в свободном звуковом поле. При более высокой температуре или при пониженном давлении воздуха скорость распространения звука увеличивается, в то время как при понижении температуры или при повышении давления уменьшается. Например, в Сибири при температуре воздуха — 50°С скорость звука составляет всего 300 м/с.

Распространение звука в воде

Звуковые волны очень эффективно движутся и в воде, поскольку она имеет более высокую плотность, чем воздух. Скорость распространения звука в воде составляет примерно 1500 м/с, что примерно в пять раз выше, чем в воздухе. Это связано с тем, что звуковые волны способны продвигаться быстрее в более плотной среде. Вместе с тем, приглушение звука за счет повышенной вязкости воды гораздо выше.

Распространение звука в костях

Распространение звука через кости протекает гораздо быстрее, чем в воздухе или в воде. Скорость может достигать 3360 м/с, если речь идет о здоровом организме. Поскольку скорость звука зависит от сжимаемости и плотности проводящей среды, патологические процессы в костях могут ускорять или замедлять звук. Когда звуковые волны попадают на кости, последние воспринимают их и передают далее посредством колебаний. Вибрация, возникающая в кости, приводит к возникновению волн давления, которые напрямую распространяются через костную ткань и, в зависимости от интенсивности сигнала, могут вызывать колебания черепа или даже тела.

Распространение звука через кость позволяет напрямую проводить звук во внутреннее ухо, без использования воздуха как передающую среду. Это дает возможность проводить коррекцию слуха при наличие заболеваний наружного или среднего уха, превращает звук костной проводимости в важный инструмент при диагностике и лечении нарушений слуха.

Распространение звука в твердых веществах

В твердых веществах, таких, как, например, металлы или минералы, звук продвигается в виде поперечных волн. Это звуковые волны, под действием которых молекулы твердого вещества сдвигаются в сторону и приводят к тому, что в твердом веществе возникают колебания. Скорость, с которой звук движется в твердой среде, зависит от плотности и эластичности материала. Например, скорость звука в стали составляет примерно 5900 м/с.

Вместо заключения. Знаете ли вы, что...

Во время грозы молния и гром возникают одновременно, но люди воспринимают их не в один и тот же момент. Это связано с тем, что свет молнии передается при помощи электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью 300 000 км/с. Поэтому молнию мы видим в тот же миг, когда она возникает. Звук грома продвигается со скоростью улитки, потому что за три секунды он может преодолеть не более километра. В результате его люди слышат его намного позже, чем видят молнию.